Caractérisation expérimentale d'une torche de découpe dans l'oxygène : étude du jet de plasma et de l'interaction arc-matériau

par Laurence Girard

Thèse de doctorat en Physique et ingénierie des plasmas de décharge

Sous la direction de Manitra Razafinimanana.

Soutenue en 2004

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Ce travail porte sur la caractérisation expérimentale d'un procédé industriel de découpe par torche à plasma fonctionnant dans l'oxygène. L'arc électrique est transféré à la plaque en acier et le bain liquide de métal en fusion est éjecté par le jet de plasma. L'épaisseur des tôles peut varier de quelques mm à 2 cm. Les paramètres de découpe sont l'intensité du courant, la tension d'arc, la pression d'injection du gaz et la vitesse de la torche. L'angle du chanfrein et la formation de scories sous la plaque témoignent de la qualité de coupe. La première partie de ce travail a pour objectif l'étude de l'arc électrique. Le jet étant supersonique, une onde de choc se forme en sortie de buse caractérisée par une succession de ventres et de nœuds de pression. La structure de l'onde de choc, la longueur d'arc et la position moyenne d'accrochage du pied anodique dans la saignée ont été visualisées par imagerie en fonction des conditions de découpe. Les champs de température, de densités d'espèces et de pression dans le plasma ont été obtenus par des techniques de diagnostic en spectroscopie optique d'émission. Le pompage de l'air ambiant dans le jet a également été évalué. Par la suite, l'interaction arc-matériau et plus particulièrement le transfert d'énergie entre le plasma et la plaque ont été étudiés. Les champs de température dans la tôle ont été mesurés au moyen de thermocouples. Par comparaison avec les résultats théoriques issus d'un modèle analytique, la puissance dissipée par conduction thermique dans le métal a été déterminée en fonction des conditions de découpe. Un bilan de puissance a ensuite été réalisé : pertes au dessus de la tôle (rayonnement, convection), puissance provenant de la réaction d'oxydation du fer, puissance nécessaire pour fondre le métal, puissance dissipée dans la plaque par conduction, pertes sous la tôle (arc en extinction). Enfin, la température en surface de plaque, sur les bords et sur le front de saignée, a été mesurée par pyrométrie.

  • Titre traduit

    Experimental characterisation of an oxygen cutting torch : Study of the plasma jet and the arc-material interaction


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    This work deals with an industrial cutting process using an oxygen plasma torch. The electric arc is transferred to the steel plate and the plasma jet ejects the liquid metal under the plate. The thickness of sheets can vary from few millimetres to 2 cm. The cutting parameters are the current intensity, the arc voltage, the pressure of injected gases and the velocity of the torch. The angle formed by the chamfered edge and dross formation under the plate testify to the quality of cut. The first part of this work was the study of the electric arc. As the jet is supersonic, a shock wave takes place at the exit of the nozzle, characterised by a succession of pressure nodes. The structure of the shock wave, the length of arc and the average position of the anodic arc root in the trench were visualised by imagery, according to the cutting conditions. The temperature fields, the densities of species and pressure in the plasma jet were obtained by optical emission spectroscopy. The pumping of the ambient air in the jet was also evaluated. Thereafter, we studied the arc-material interaction and more particularly the energy transfer from the plasma to the plate. The temperature fields in the sheet were measured by means of thermocouples. By comparison with the theoretical values resulting from an analytical model, the power dissipated by thermal conduction in the steel is determined according to the cutting conditions. Then a power balance was carried out: losses at the top of the sheet (radiation and convection), power coming from the oxidation reaction of iron, power necessary to melt the metal, power dissipated in the plate by conduction, losses under the sheet (extinction of the arc). Lastly, the temperature on the surface of the plate, on the edges and at the face of the trench, was measured by pyrometry.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 131 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.126-129

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2004TOU30269
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.